基于景觀格局和地理加權回歸模型的森林經營對策研究
——以云南建水縣為例

張錦繡，馬國強，張 蓉，涂宏濤，姚興博

（國家林業(yè)和草原局西南調查規(guī)劃院，云南昆明 650216）

森林經營是一個系統性工程，需考慮森林資源及周邊農業(yè)生產、人居環(huán)境和河流水系等因素的內在聯系和相互作用，以及相關利益者的需求。森林經營應重點關注林業(yè)景觀和林分質量的經營，強調景觀和質量的時空異質性，權衡并協同多種生態(tài)系統的服務功能，倡導林業(yè)景觀的多樣性和連通性，提高復合景觀的可持續(xù)性和穩(wěn)定性[1]。掌握宏觀面的林業(yè)景觀格局空間分布特征、非林業(yè)景觀對林業(yè)景觀生態(tài)過程的影響及微觀面的林分質量，并獲得量化結果，是開展林業(yè)空間規(guī)劃和森林經營的科學依據和基礎[2-3]。

景觀生態(tài)學主要強調景觀格局結構及其生態(tài)過程的相互關系[4]。景觀格局結構包括景觀組成單元的類型、數目及空間分布與配置。生態(tài)過程是景觀中生態(tài)系統內部及不同生態(tài)系統間物質、能量、信息流動、遷移和人轉化的總稱，強調景觀動態(tài)特征[5-6]。利用景觀格局指數能解釋全域景觀格局的組成及空間分布特征[7-9]。景觀格局的結構或關系經常隨著地理位置的變化而改變，這是空間異質性分析中普遍存在的現象[10]。

地理加權回歸（Geographically weighted regres?sion，GWR）模型是對傳統回歸分析方法的擴展，是探索空間異質性關系有效的地理統計工具之一[10]。運用該模型能充分考慮林分質量本身屬性的統計特征，也能反映林分在地理空間中的分布特征。近年來，許多學者運用地理加權回歸模型探索環(huán)境因子與研究變量間的關系，發(fā)現該模型比傳統回歸模型有更顯著的擬合優(yōu)度[11-12]。

本研究從景觀生態(tài)學角度出發(fā)，考量與森林資源相互影響和作用的其他景觀要素，全面分析景觀格局生態(tài)過程及其整體隨空間位置的變化，將森林經營的規(guī)劃發(fā)展融入到全域的景觀格局變化中，從多個途徑提出森林經營對策，以達到森林資源本身與其他環(huán)境要素良性循環(huán)發(fā)展的目的。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

建水縣（102°50′E，23°37′N）位于云貴高原南部，隸屬于紅河哈尼族彝族自治州。全域地勢南高北低，西高東低，相對海拔高差為2 285 m；以高原地形為主，受南部紅河、北部曲江和瀘江的切割，地形地貌復雜多樣，邊緣部分較破碎，石灰?guī)r分布廣泛；海拔250 ～1 700 m，地帶年均氣溫約為24 ～17 ℃。

1.2 數據源

基礎數據為2020年建水縣森林資源管理“一張圖”數據（簡稱“一張圖”）和2017年建水縣森林資源規(guī)劃設計調查數據（簡稱“二調”）。

1.3 研究內容與方法

1.3.1 景觀類型劃分

根據GB/T 21010-2017[13]和LY/T 1812-2009[14]，結合研究區(qū)景觀特點和景觀格局研究的需要，依據土地地類，并考慮地表附著物，在“一張圖”中將研究區(qū)景觀類型劃分為林業(yè)景觀和非林業(yè)景觀。林業(yè)景觀包括喬木林、竹林、疏林、灌木林、苗圃地、宜林地、未成林造林地和無立木林地，共8 類；非林業(yè)景觀包括地類為耕地的農業(yè)景觀、地類為建設用地的人工建筑景觀和地類為水域的水域景觀，共3類。

1.3.2 景觀格局指數選擇

景觀格局指數濃縮了景觀格局信息，并在景觀格局結構與其變化過程間建立定量聯系，表征景觀格局結構及過程的變化信息[15]。根據不同景觀格局指數的生態(tài)學意義、研究目的和相關學者的研究[16-18]，本研究選取斑塊密度（Patch density，PD）、景觀形狀指數（Landscape shape index，LSI）、散布與并列指數（Interspersion juxtaposition index，IJI）、香農多樣性指數（Shannon's diversity index，SHDI）、香農均勻度指數（Shannon's evenness index，SHEI）、蔓延度指數（Contagion index，CONTAG）、最大斑塊指數（Largest patch index，LPI）、平均斑塊面積（Mean AR?EA，AREA_MN）和歐氏鄰近距離（Mean euclidean nearest-neighbor index，ENN_MN）9 個指數，分別從景觀水平和斑塊類型水平，定性和定量地分析研究區(qū)生態(tài)景觀格局的空間分布特征，了解景觀結構和非林業(yè)景觀對林業(yè)景觀生態(tài)的影響。采用Fragstats 4.2 軟件提取斑塊類型水平的景觀格局指數（表1）和景觀水平的景觀格局指數（表2）。

表1 斑塊類型水平的景觀格局指數Tab.1 Landscape pattern indexes on patch class level

續(xù)表1 Continued

表2 景觀水平的景觀格局指數Tab.2 Landscape pattern indexes on landscape level

1.3.3 林分質量評價指標提取

森林蓄積量是評價森林資源質量的重要指標，為森林經營和采伐利用提供重要依據。喬木林是研究區(qū)森林最重要的組成部分，為森林覆蓋率和林地保有量做出巨大貢獻。從喬木林的重要性和數據完整性考慮，本研究選擇喬木林林分質量為森林質量評價的主要方面。選取能描述并定量化反應林分質量的調查因子，包括郁閉度、平均胸徑、林齡、活立木公頃蓄積、每公頃株數和林地質量6個因子，采用主成分分析法（Principal component analy?sis，PCA）構造回歸模型，獲得各喬木林小班林分質量綜合得分，作為質量的評價指征。在主成分分析前，對自變量進行無量綱化處理，獲取林分質量綜合得分后，利用“T 分數”將林分質量綜合得分轉換成服從均數為50、標準差為10 的正態(tài)分布，以便更直觀地評價和解釋。

1.3.4 GWR模型預測變量提取

在分析全域景觀格局空間分布特征的基礎上，以喬木林林分質量綜合得分為因變量，以林分調查因子、地形因子和非林業(yè)影響因子為自變量，采用GWR 模型對林分質量的空間分布進行擬合預測。林分調查因子選擇主成分分析中與林分質量相關最大的自變量，地形因子選擇蘊含地勢起伏和坡度、坡向信息的平均海拔。非林業(yè)影響因子為采用近鄰分析法分別獲取的喬木林小班質心至居民點、至公路、至河流及至耕地的距離，分別看作人工建筑景觀、水域景觀和農業(yè)景觀對林分影響的表征。在GWR 分析前，對距離數據和海拔數據進行自然對數變換，以滿足GWR 自變量獨立和正態(tài)的建模要求。

2 結果與分析

2.1 景觀格局空間分布特征分析

2.1.1 組成分析

PD可揭示景觀基質被某類型斑塊分割的程度，孔隙度越高，分布越廣。農業(yè)景觀和灌木林景觀的PD 較大（0.320 7、0.302 3 n/100 hm2），其次為喬木林景觀（0.261 9 n/100 hm2）（表1）。表明農業(yè)景觀在全域景觀格局中分布最廣、影響最大；林業(yè)景觀中，灌木林景觀的分布最廣，該景觀特征符合研究區(qū)大力發(fā)展農業(yè)及柑橘（Citrus reticulata）、油茶（Camellia oleifera）和茶（Camellia sinensis）等灌木經濟林的產業(yè)現狀。除了灌木林和喬木林，其他林業(yè)景觀的PD遠低于農業(yè)景觀，說明農業(yè)景觀在一定程度上對該研究區(qū)景觀進行分割擴張。研究區(qū)景觀格局分布情況如圖1所示。

圖1 建水縣景觀格局分布圖Fig.1 Distribution map of landscape pattern of Jianshui county

2.1.2 優(yōu)勢類型分析

LPI 能表征景觀的優(yōu)勢類型，決定景觀中的優(yōu)勢種和內部種的豐度等生態(tài)特征。喬木林和農業(yè)景觀的LPI 較大（18.403 9%、12.148 5%），說明這兩類景觀為研究區(qū)的主要優(yōu)勢景觀類型（表1）。喬木林景觀的LPI 約為灌木林景觀的11.5 倍，表明喬木林景觀中有較大斑塊，其分布較灌木林聚集。反映出以云南松（Pinus yunnanensis）、櫟類（Quercusspp.）和直桿桉（Eucalyptus maidenii）等為主的喬木林在林業(yè)景觀中占主導地位；灌木林雖面積可觀，但分布較零散、破碎。

2.1.3 破碎度和離散度分析

AREA_MN 可指征景觀的破碎程度，其值越小，景觀越破碎。ENN_MN 可指征景觀的離散程度，其值越大，景觀越離散。研究區(qū)較破碎且離散程度較大的景觀包括未成林造林地、水域、無立木林地、苗圃地、疏林和竹林（表1）。結合景觀破碎度及離散度指標分析，研究區(qū)內直接受到人為作用的苗圃地景觀呈現出分布破碎化、小規(guī)模集約經營的特點；水域景觀在全域內斑塊較破碎且分布較離散，說明研究區(qū)水資源分布不均勻；研究區(qū)為典型干熱河谷氣候，氣候條件不適于大規(guī)模發(fā)展竹產業(yè)，故竹林景觀數量較小且分布較離散。

2.1.4 形狀分析

LSI 能反映景觀斑塊受人為干擾的程度和景觀要素的形態(tài)復雜性，其值越大，形狀越不規(guī)則，影響斑塊內部動物遷移等重要的生態(tài)過程。農業(yè)景觀的LSI 最大（57.103 6），表明其空間結構較復雜，其本身直接受到人為作用，形狀容易受到人為影響而改變（表1）。林業(yè)景觀中，灌木林和喬木林景觀的LSI 均較大且相近（47.116 5、45.598 0），說明這兩類景觀的形態(tài)結構較松散，邊緣形態(tài)較復雜，景觀斑塊邊緣易受其他景觀斑塊切割，邊緣較彎曲。苗圃地景觀的LSI 最?。?.625 0），說明其分布較聚集，規(guī)劃營造時形態(tài)較規(guī)則且集中。

2.1.5 多樣性分析

景觀多樣性可揭示景觀個體在功能、時間、空間和結構方面的多樣性、復雜性和變異性。從景觀水平看，IJI（58.223 2%）較大，說明研究區(qū)景觀形狀復雜；SHDI（1.463 4）和SHEI（0.610 3）較高，表明研究區(qū)斑塊破碎化程度較高，景觀要素多樣性程度較高（表2）。用于評估景觀生態(tài)風險的CONTAG 指數僅為44.839 6%，低蔓延度反映出研究區(qū)生態(tài)系統抗風險能力較差，除聚集的大斑塊，其他斑塊連接性不強。

2.2 林分質量評價結果分析

喬木林小班各林分調查因子的主成分分析取樣適當性度量為0.605，大于0.6；Bartlett球形檢驗的近似卡方分布為162.005，達到顯著，相伴概率小于顯著性水平0.05。綜合以上指標，各變量適合進行因子分析。本研究采用主成分回歸分析模型累積貢獻率達70%的3 個主成分因子，提取林分質量綜合得分，并采用自然間斷點分級法對綜合得分進行分析，使林分質量各等級差異最大化，最終將喬木林林分質量綜合得分劃分為優(yōu)（65.24 ≤～104.15）、較優(yōu)（55.56 ≤～65.24）、良好（47.74 ≤～55.56）、一般（39.77 ≤～47.74）和較一般（16.79 ≤～39.77）5 個等級。結果顯示，研究區(qū)喬木林林分質量綜合得分最大值為104.15，最小值為16.79；以良好等級的數量最多，面積為45 412.98 hm2，占喬木林總面積的31.41%；主成分分析中與林分質量相關最大的自變量為活立木公頃蓄積；研究區(qū)面積較大的10類優(yōu)勢樹種中（圖2），榿木（Alnus nepalensis）和華山松（P.armandii）質量優(yōu)等級較多，直干桉和其他桉類（Eu?calyptusspp.）質量較優(yōu)等級較多，云南松、櫟類、其他闊葉和油杉（Keteleeria fortunei）質量良好等級較多，杉木（Cunninghamia lanceolata）和柏木（Cupres?sus funebris）質量較一般等級較多（圖3）。

圖2 10類優(yōu)勢樹種林分及所處海拔分布圖Fig.2 Stand and elevation distribution map of 10 dominant tree species

圖3 10類優(yōu)勢樹種質量等級對比Fig.3 Comparison on quality grades of 10 dominant tree species

2.3 GWR模型預測質量評價結果分析

2.3.1 模型自變量相關性分析

喬木林林分質量綜合得分的GWR 模型條件數最小值、最大值和平均值均小于30，研究結果比較理想。模型的局部相關系數R2為0.741 7，模型可解釋74.17%的差異。因變量（喬木林林分質量綜合得分）與活立木公頃蓄積，喬木林小班質心至公路、至居民點、至河流和至耕地的距離，以及海拔的平均相關系數分別為8.288 455、-0.000 126、-0.000 123、0.000 299、-0.000 370 和0.040 140。林分質量與活立木公頃蓄積、喬木林小班質心至河流距離和海拔均呈正相關，其中活立木公頃蓄積的影響最大，這一結果符合隨活立木公頃蓄積增加，林木質量逐漸提高的林分生長規(guī)律；林分質量與公路、居民點和耕地等人為因素呈負相關，其中耕地對喬木林質量影響較大，該結果符合農業(yè)景觀在研究區(qū)景觀格局中分布最廣、影響最大的特征。

2.3.2 喬木林林分質量擬合結果

GWR預測結果顯示，研究區(qū)喬木林林分質量綜合得分最大值為115.99，最小值為30.59，地形因子和非林業(yè)影響因子對林分質量綜合得分產生影響。參照2.2中的林分質量等級劃分規(guī)則，加入地形和非林業(yè)影響因子，預測的喬木林林分質量等級中，情況為良好等級和一般等級的數量增加；優(yōu)、較優(yōu)和較一般等級的數量減少（圖3）。

2.3.3 優(yōu)勢樹種林分質量擬合預測變化原因分析

加入非林業(yè)影響因子前和后的林分質量結果對比如圖3 所示。結合研究區(qū)情況，10 類優(yōu)勢樹種林分質量優(yōu)勢等級變化可分為5類。

第一類：林分斑塊總面積最大；在高、低海拔地區(qū)均勻分布；道路、居民點和耕地分布在周邊，本身受地形因子和非林業(yè)影響因子作用較均衡。該情況包括云南松和櫟類林分。

第二類：斑塊總面積較大，破碎化程度高，分布較分散；大部分為研究區(qū)主要用材林樹種，地形和水熱條件可人為控制，有利于林分生長，人工經營較好，有規(guī)?；炝只亍Ｔ撉闆r包括分布于中部較低海拔地區(qū)的直干桉和桉類林分，以及分布于東部、西北部中低海拔地區(qū)的油杉林分。

第三類：斑塊總面積小，斑塊較破碎，斑塊間連接度低，呈聚集性分布；受人為因素直接作用；位于南部紅河流域中、高海拔地區(qū)，可及度較低，地形和水熱條件有利于林分生長。該情況包括榿木和華山松林分。

第四類：斑塊總面積小，斑塊間有一定連通性，呈較聚集性分布；受樹種生長特性或非林業(yè)因素影響較大。該情況包括僅分布于南部高海拔地區(qū)的杉木林分，該樹種年生長率最大，活立木蓄積量增長明顯；分布于中部區(qū)域的柏木林分，所處地區(qū)海拔較低，地勢平緩。

第五類：斑塊總面積小，較破碎，分布較分散，跨度較大；主要為天然起源的林分，少受人為正向選擇。該情況包括分布于南部、東北部中海拔地區(qū)的其他闊葉類林分，整體質量維持在良好等級。

2.4 林業(yè)景觀及林分經營對策

根據規(guī)律性的林分質量變化情況，針對非林業(yè)景觀對林業(yè)景觀和林分質量產生的影響提出經營對策，以期提高林分經營質量、提升林業(yè)景觀的生態(tài)服務功能。

2.4.1 構建景觀生態(tài)廊道，保障生態(tài)系統連通性

林業(yè)景觀通常與農業(yè)景觀和人工建筑景觀等交叉分布，使得林業(yè)景觀分布整體呈碎片化趨勢，不利于構建生態(tài)功能完整的林業(yè)景觀格局，還會破壞物種多樣性。因此，必須從全域出發(fā)，構建道路、水域和城鎮(zhèn)建設用地周圍的生態(tài)廊道，注重林業(yè)景觀的優(yōu)勢類型、多樣性與異質性水平，協調林業(yè)景觀與非林業(yè)景觀的關系，降低林業(yè)景觀碎片化帶來的負面影響。

2.4.2 削減斑塊隔離，在一定范圍內促進林農結合

目前，研究區(qū)耕地對林業(yè)用地有較嚴重的擠占現象，這是部分林業(yè)用地斑塊較小且碎片化的成因，影響林業(yè)生態(tài)功能的有效發(fā)揮，限制林棲動物的生存空間，還會降低森林生態(tài)系統對災害的抵抗能力。針對該問題，可考慮在不損害農業(yè)正常生產的基礎上，規(guī)模化構建林地，并使之與周邊林地形成呼應和擴展，創(chuàng)建具有林農協調發(fā)展功能的景觀斑塊，使研究區(qū)生態(tài)景觀可持續(xù)發(fā)展。

2.4.3 因地施策，促進林業(yè)生態(tài)和產業(yè)共同發(fā)展

GWR 模型實現了喬木林林分質量等級評估的可視化分布，同一非林業(yè)景觀要素對林分質量的影響程度具有空間差異性，可為針對不同海拔區(qū)域和不同優(yōu)勢樹種林分制定不同的景觀經營對策及選取林業(yè)生態(tài)治理修復和林業(yè)產業(yè)先行區(qū)域提供參考?？筛鶕芯繀^(qū)森林資源現狀和社會經濟條件，實行森林分類、分區(qū)域經營，在保護的前提下實行集約經營和科學管理，提高林地生產力，進一步提升森林總質量。

2.4.4 關注破碎化林地斑塊，溝通多樣性林業(yè)景觀

區(qū)域中部人工建筑景觀和農業(yè)景觀斑塊的擴張可能導致該區(qū)域其他景觀破碎，景觀多樣性下降。應在一定程度上溝通破碎化程度較高的幾類林業(yè)斑塊，增加防護林等生態(tài)廊道建設，減少建設和耕作等人為活動的影響，擴大林業(yè)景觀集中連片程度，開展統一樹種和統一模式的生態(tài)修復，促進面積較小且破碎化程度較高的林業(yè)景觀最大程度地由“椒鹽”狀碎片分布向連片化集中分布轉變。

2.4.5 加強管護，降低人類活動干擾的影響

農業(yè)景觀較不穩(wěn)定，若不加以控制和管護，可能會出現逐漸侵蝕林業(yè)景觀的趨勢。在今后的經營活動中，需加強管護，減少加劇林業(yè)景觀破碎的工程建設等活動，制止違法改變林地用途等行為，減少其他景觀對林業(yè)景觀邊緣的影響，及時進行森林撫育，達到調整樹種組成、優(yōu)化林分結構、提高林地生產力和林分質量及提升林業(yè)景觀整體生態(tài)服務功能的目的。

3 討論與結論

林分質量在一定程度上直接反映林分質量的生態(tài)功能及經濟和社會價值。之前，學者們對于林分質量的評價對象、指標及方法都有不同的考慮，多從林分蓄積量、出材量和年均生長量等方面進行研究[19-20]。本研究在分析全域景觀格局空間分布特征的基礎上，從林業(yè)景觀本身及非林業(yè)景觀對林業(yè)景觀的影響兩方面對林分質量進行評價。對定性的非林業(yè)影響因子進行地理空間分析量化，通過對比加入非林業(yè)影響因子變量前及后提取的林分質量結果，可知非林業(yè)景觀對林分質量產生了正向和負向的影響，且影響程度不同。

本研究分析了林業(yè)景觀及林分質量的特征及其影響因素，旨在為研究區(qū)森林經營規(guī)劃提供一定參考。從數據的完整性和代表性角度考慮，僅選取研究區(qū)面積較大的10 類喬木林優(yōu)勢樹種進行具體的林分質量等級變化規(guī)律性分析及經營對策研究。今后還需基于本研究的影響因素變量及預測方法，有針對性地收集灌木林等相關數據，對全域森林質量進行研究，并提出更全面的森林經營對策。

研究區(qū)內不同分布區(qū)域的喬木林林分質量差異較大，同一區(qū)域、不同影響因素下的林分質量差異也較大。城鎮(zhèn)化較發(fā)達的中心區(qū)及水熱資源較充沛的南北兩區(qū)林分質量差異較明顯。在人類生產經營活動過程中，應減少人類活動對林分的干擾，采取相應的措施緩解和調節(jié)森林生態(tài)系統與人類生產經營活動間的關系，加強不同類型林業(yè)景觀間的內在聯系，科學地開展森林可持續(xù)經營。